生命的化学组成基础专家讲座

第一节参加细胞组成生物元素、

生物小分子和生物大分子一、自然界中元素

原子原子核质子中子电子生命的化学组成基础专家讲座第1页同位素——

原子核内质子数相同，但中子数不一样，这些原子即使有不一样质量，不过化学性质相同，依然属于同一个元素，在元素周期表中占有一样位置。放射性同位素在生命科学中有广泛用途，如用来研究体内代谢路径、疾病诊疗、疾病治疗、诱变育种等。基因突变内因之一。生命的化学组成基础专家讲座第2页1.参加生物体组成元素

组成生物体元素约30种。二、生物体元素组成2.生物体中大量元素也称常量元素。其中C、H、O、N4种元素含量最高，最少占体重5%以上。N、P和S是组成生命至关主要蛋白质和核酸必不可少元素。3.不可忽略微量元素

Fe、Zn、Mn、I、Mo等这些微量元素在生物体内含量甚少，普通在百万分之一甚至十亿分之一。它们是人体健康必不可少元素。

生命的化学组成基础专家讲座第3页1.Na+和K+

共同调整机体和细胞渗透压。高血压与钠摄入量过高相关。钾维持神经肌肉应激性及心脏正常功效。NaCl—食盐。元素与健康2.钙成人体内钙总量正常为1200g，99%存在于骨骼和牙齿，其余以离子状态存在于软组织、血液、细胞外液。钙吸收。3.铁血红蛋白和肌红蛋白组成成份。血红素铁形式易吸收。4.锌成人含锌量约为2.5g。各种酶组成成份。5.硒参加谷胱甘肽过氧化物酶组成，在人和动物体内起到抗氧化作用，是延长寿命、预防细胞中毒主要营养物质。解毒重金属。增强机体对疾病抵抗力。预防和抑制肿瘤。生命的化学组成基础专家讲座第4页6.碘甲状腺素主要成份。促进机体生长和智力发育。7.氟预防龋齿和老年骨质疏松症，促进伤口愈合、铁吸收。8.铜细胞色素C氧化酶、血浆铜兰蛋白等组成成份，促进铁吸收，保护神经系统正常运转。9.铬人体和动物必不可少一个微量元素。是葡萄糖耐量因子组成成份，含有激活胰岛素和降低血糖作用。其它锗、锰、镁、磷、铝、汞生命的化学组成基础专家讲座第5页

正常人血液pH值在7.35~7.45之间，但这部分碱性体质者只占总人群10％左右；大多数人为酸性体质，pH值在7.35以下，身体处于健康和疾病之间亚健康状态，医学上称为酸性体质者。酸性体质者常会感到身体疲乏、记忆力衰退、注意力不集中、腰酸腿痛。如不注意改进，就会继续发展成疾病。当人体液pH值＜7时，会产生重大疾病，6.9时变成植物人，6.8~6.7时就会死亡。假如人体倾向酸性，细胞作用就会变差，废物不易排出，肾脏、肝脏负担加大，新陈代谢迟缓，各种器官功效减弱，易得病，老化加紧。癌症患者几乎都是酸性体质。pH值对健康影响生命的化学组成基础专家讲座第6页1、强酸与钙、镁等碱性矿物质结合为盐类，即固体酸性物，从而造成骨质疏松症等疾病。2、强酸或酸性盐堆积在关节或器官内引发对应炎症，造成动脉硬化、肾结石、关节炎、痛风等疾病。3、酸性废弃物堆积，使附近毛细血管被堵，血液循环不畅，造成糖血尿、肾炎及各种癌症。4、胃肠道酸性过多引发便秘、慢性腹泻、尿酸、四肢酸痛，胃酸过多造成烧心、反酸、胃溃疡等。另外，酸性体质会影响孩子智力。酸性过多引发成年人疾病生命的化学组成基础专家讲座第7页

酸性体质是人体大量摄入高脂肪、高蛋白、高热量食物结果。当酸性物质超出了人体本身调整能力，或人体对酸碱平衡调整能力受到影响时，人体环境平衡被打破，就产生了酸性体质。食品按其元素成份，可分为碱性食品、中性食品和酸性食品三大类。

含磷、氯、硫、碘等元素多食品普通为酸性食品，如面粉、肉类、谷物、油脂、酒类、白糖等。

含钾、钠、钙、镁等元素多食品普通为碱性食品，如水果、蔬菜、豆制品、乳制品、海带、碱性饮料等。酸味食品不都是酸性食品。以橘子为例，它含有较为丰富钾，所以不是酸性食品，而是碱性食品。酸性体质之起因——生命的化学组成基础专家讲座第8页

水

生命活动之本

水与健康生命的化学组成基础专家讲座第9页三、生物有机分子（一）氨基酸与蛋白质生命的化学组成基础专家讲座第10页1、氨基酸天然存在氨基酸180各种，蛋白质中氨基酸共有20种。其通式上R基团不一样结构决定不一样氨基酸，也决定各种氨基酸在溶解度以及在其它特征上差异。

1.氨基酸通式生命的化学组成基础专家讲座第11页（1）除甘氨酸外，其它19个氨基酸碳原子都为不对称碳原子，有同分异构体（D型和L型），其水溶液含有旋光性，19种主要天然氨基酸都是L-氨基酸；（2）因R基团或侧链特征，氨基酸在水溶液中解离性质不一样，可分为疏水性氨基酸和亲水性氨基酸；（3）-丙氨酸、甲状腺素等特殊结构氨基酸，含有特殊生物学活性；γ-氨基酸（4）赖氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸，这8种氨基酸体内不能合成，为必需氨基酸。婴儿还要加上组氨酸。天然氨基酸结构与性质生命的化学组成基础专家讲座第12页#蛋白质合成原料

#氨基酸及衍生物含有生物学活性

#谷氨酸钠作为调味品氨基酸功效和实际应用生命的化学组成基础专家讲座第13页蛋白质是生物体主要组成成份

蛋白质一词最初起源于希腊文II，是“最原初”，“第一主要”意思。蛋白质在生物体中占有特殊地位。它占细胞干重二分之一以上，是生命物质基础。许多蛋白质（酶）含有催化活性，参加几乎全部生命活动过程，物质运输、营养储存、肌肉收缩、肌体防御功效、信息传递受体、调整蛋白等。蛋白质还决定物种种属特异性。2、蛋白质生命的化学组成基础专家讲座第14页蛋白质相对分子量决定于所含氨基酸多少。普通按每个氨基酸残基平均分子量110来计算。如有100个氨基酸残基，分子量110×100=11000Da（道尔顿）。同理，知道蛋白质相对分子量可预计出其氨基酸残基数目。蛋白质分子量大小普通在6000（下限）到几百万Da。小于6000叫做肽。如催产素、加压素、脑啡肽等。一些蛋白质是由两个或更多个蛋白质亚基结合而成，称为寡聚蛋白。生物工程试验中，通常依据聚丙烯酰胺凝胶电泳确定未知蛋白质分子量大小。

蛋白质相对分子量生命的化学组成基础专家讲座第15页一个氨基酸分子中氨基与另一个氨基酸分子中羧基脱水缩合形成肽键，此时氨基酸称为氨基酸残基。肽链基本上呈线形结构，一端有游离氨基，称为N端，另一端有游离羧基称为C端，所以肽链有方向性。肽组成生命的化学组成基础专家讲座第16页蛋白质高级结构天然蛋白质特有空间结构，称为蛋白质构象。一级结构：多肽链氨基酸次序。决定蛋白质性质和功效。二级结构：多肽链借助氢键按一维方向含有周期性结构构象。有两种二级结构模式：-螺旋，-折叠。三级结构：多肽链借助各种次级键（非共价键）盘绕成含有特定肽链走向紧密球状构象。四级结构：寡聚蛋白质各亚基间空间上相互关系或结合方式。蛋白质分子二、三、四级结构称为蛋白质高级结构。它直接关系着蛋白质生物活性。生命的化学组成基础专家讲座第17页生命的化学组成基础专家讲座第18页盐键(离子键）氢键二硫键疏水键氢键氢键疏水键蛋白质空间作用力及其

高级结构稳定性和可变性生命的化学组成基础专家讲座第19页蛋白质营养与功效蛋白质种类

1.完全蛋白质：含必需氨基酸种类齐全，数量充分，各种氨基酸百分比与人体所含氨基酸百分比相同。如蛋类、肉类、鱼类、豆类等食物中蛋白质。膳食中若含有这类蛋白质，就能满足机体生长发育需要，维持健康。

2.不完全蛋白质:往往缺乏一个或数种必需氨基酸，如玉米蛋白缺乏赖氨酸、色氨酸等。单靠这类蛋白质，人体就不能维持正常功效。3.半完全蛋白质:界于二者之间还有一个半完全蛋白质，它所含必需氨基酸齐全，但百分比不适当，如米、面所含蛋白质，仅能维持生命，但不能促进生长.有些蛋白质中即使含有8种必需氨基酸，但各种氨基酸含量多少不匀，相互之间比倒不适当，但在食用时有各种食物相互补充，就能满足身体对蛋白质需要。

蛋白质功效组成机体，修补组织；组成酶和激素成份，调整生理机能；肌肉收缩；氧运输；免疫作用；维护皮肤弹性和韧性等.生命的化学组成基础专家讲座第20页怎样评价一个食物蛋白质营养价值食物中蛋白质含量多少必需氨基酸含量和百分比还应考虑机体对该食物蛋白质消化、利用程度。食物经过烹调，普通能够提升蛋白质消化率。生命的化学组成基础专家讲座第21页酶生命的化学组成基础专家讲座第22页酶是生物催化剂酶是细胞产物，酶本质是蛋白质。有些酶仅由蛋白质组成，属于简单蛋白质。胃蛋白酶。有些酶除蛋白质外，还需结合非蛋白质部分，才表现出酶活性。如需一些有机小分子或金属离子配合，有些蛋白质也有此作用，这些成份经常被称为辅酶。

由酶蛋白与辅酶结合后形成复合物称为全酶。许多维生素就是辅酶。辅酶本身无催化作用，不过在酶促反应中携带和传递底物电子、原子或作用基团。国际系统分类法将酶分为六个大类：

1.氧化还原酶类2.转移酶类3.水解酶类4.裂合酶类5.异构酶类6.合成酶类。

生命的化学组成基础专家讲座第23页（黄色圆球是Zn2+）羧基肽酶生命的化学组成基础专家讲座第24页铁卟啉辅基生命的化学组成基础专家讲座第25页血红蛋白生命的化学组成基础专家讲座第26页生命的化学组成基础专家讲座第27页生命的化学组成基础专家讲座第28页（一）酶催化机制1.降低反应活化能——加紧反应速度

活化能：在一个化学反应体系中，反应开始时，反应物分子平均能量水平较低，为“初态”。在反应任何一瞬间反应物中都有一部分分子含有比初态更高一些能量，高出这部分能量称为活化能。含有活化能分子处于“过渡态”，即活化态。这时就能形成或打破一些化学键，形成新物质。反应物中这种活化分子越多，反应速度就越快。全部催化剂，包含酶在内，能降低反应活化能，即只需较少能量就可使反应物进入“活化态”。比如：H2O2分解，当没有催化剂时需活化能75.24千焦耳/摩尔，用胶态钯作催化剂时，只需活化能48.9千焦耳/摩尔，而当有过氧化氢酶催化时，活化能下降到8.36千焦耳/摩尔以下。

生命的化学组成基础专家讲座第29页生命的化学组成基础专家讲座第30页2.酶活性中心

对于不需要辅酶酶来说，活性中心就是酶分子在三维立体结构上比较靠近少数几个氨基酸残基或残基上一些基团；对于需要辅酶酶来说，辅酶分子，或辅酶分子上某一部分结构往往就是活性中心组成部分。活性中心有两个功效部位，第一个是结合部位，一定底物靠此部位结合到酶分子上，第二个是催化部位，底物键在此处被打断或形成新键，从而发生一定化学改变。生命的化学组成基础专家讲座第31页使底物靠拢使底物分子产生应力使底物分子电荷改变生命的化学组成基础专家讲座第32页（二）酶活性调整

竞争性抑制抑制剂与底物竞争，阻止底物与酶结合。变构调整（别构效应）

调整物与调整中心结合造成酶蛋白构象发生改变，产生有利或不利于对底物反应催化。共价调整

有调整物本身就是一个酶，它使酶分子发生共价键改变，从而改变酶活。（三）酶促反应形成代谢路径代谢多酶促反应生命的化学组成基础专家讲座第33页竞争性抑制剂在结构上与底物相同生命的化学组成基础专家讲座第34页对氨基苯甲酸（细菌生长因子）对氨基苯磺酸（磺胺药）磺胺类药品竞争性抑制细菌体内酶生命的化学组成基础专家讲座第35页（二）单糖与多糖生命的化学组成基础专家讲座第36页1、单糖

第一碳为醛基第二至第五碳都连接羟基葡萄糖(CH2O)6

或C6H12O6

生命的化学组成基础专家讲座第37页六碳醛糖有16种同分异构体

第二到五碳都是不对称碳原子，每一个碳原子都可能有两种不一样结构式，有十六种同分异构体。以第五碳为准，-OH写在右侧被称为D型糖，共8个。-OH写在左侧被称为L型糖，亦有8个。天然单糖大多数是D型糖。葡萄糖甘露糖半乳糖生命的化学组成基础专家讲座第38页生命的化学组成基础专家讲座第39页葡萄糖环状结构生命的化学组成基础专家讲座第40页核糖及脱氧核糖生命的化学组成基础专家讲座第41页能源食品工业（葡萄糖、果糖、甘露醇及山梨醇）医药单糖实际应用生命的化学组成基础专家讲座第42页2、多糖双糖生命的化学组成基础专家讲座第43页蔗糖乳糖麦芽糖生命的化学组成基础专家讲座第44页多糖是由多个单糖分子缩合失水而成。分子结构较为复杂，多糖链上有很多分支。多糖链也有方向性，有非还原端和还原端。常见多糖有淀粉、几丁质、纤维素、琼脂、糖原、透明质酸等。生命的化学组成基础专家讲座第45页生命的化学组成基础专家讲座第46页

能量贮备，节约蛋白质维持神经系统功效与解毒参加生命活动（糖蛋白）

开发应用：免疫增强农药医药多糖生物学功效生命的化学组成基础专家讲座第47页膳食纤维概念：是木质素与不能被人体消化道分泌消化酶所消化多糖总称。包含纤维素、半纤维素、果胶等。功效：（1）吸水通便；（2）改进菌群，预防肠道病变；（3）降低血清胆固醇；（4）利于减肥；（5）利于胰岛素分泌；起源：植物性食物，如谷类、豆类、蔬菜、水果、米糠、麸皮、苹果、梨、菠萝、花生壳等。生命的化学组成基础专家讲座第48页（三）核苷酸与核酸核苷酸核苷碱基戊糖磷酸＋＋腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）或尿嘧啶（U）核糖脱氧核糖1、核苷酸结构生命的化学组成基础专家讲座第49页

ATP：生物体中生理生化反应都需要从ATP取得能量，如肌肉收缩、细胞分裂、神经冲动传导、电鳗放电、萤火虫发光、物质跨膜运输、肌体产热等，总之一切生命活动都离不开ATP。

UDP、UTP：参加淀粉合成

GTP、GDP：是蛋白质合成过程所需要，也参加细胞信息传递。

cAMP：也称环腺苷酸，对于介导激素及调整细胞生命活动许多方面起着非常主要作用。2、有特殊生物学功效核苷酸生命的化学组成基础专家讲座第50页1868年，发觉核素；1944年，证实DNA是遗传物质；1950年，发觉A数目等于T数目，G等于C；1953年，提出DNA双螺旋结构；1973年，完成体外重组DNA，开始基因工程时代。

3、核酸生命的化学组成基础专家讲座第51页

脱氧核糖核酸（DNA），含有A、T、C、G四种碱基；

核糖核酸（RNA），

含有A、U、C、G四种碱基。核苷酸之间经过磷酸二酯键连成多核苷酸链3’，5’-磷酸二酯键。磷酸连接在上一个核糖C-3位和下一个核糖C-5位，以此连接成多核苷酸链。多核苷酸链是有方向性。有5’末端和3’末端。4、核酸类别生命的化学组成基础专家讲座第52页生命的化学组成基础专家讲座第53页生命的化学组成基础专家讲座第54页

5、DNA分子结构和功效（1）DNA双螺旋模型（2）DNA分子长度（3）DNA功效DNA是遗传物质，是遗传信息载体。

6、RNA分子结构和功效（1）RNA结构（2）RNA类型

tRNA：转运RNA

mRNA：信使RNA

rRNA：核糖体RNA

SnRNA：核内小RNA。生命的化学组成基础专家讲座第55页生命的化学组成基础专家讲座第56页rRNAmRNAtRNA核糖体(rRNA+蛋白质）反密码子mRNAtRNA氨基酸新生肽链生命的化学组成基础专家讲座第57页7、核酸大分子高级结构稳定性和可变性

DNA双螺旋主要靠碱基堆积力，其次有范得华力、氢键等，较稳定。物化原因能够使核酸变性，DNA螺旋被解开，双链被打开，甚至丧失生物学活性。这就是变性。在有些条件下，DNA能够发生迟缓复性。利用核酸分子变性和复性进行广泛基因操作。如基因扩增，核酸提取，分子杂交等。核酸链上碱基严格遵照碱基配对标准，但环境条件改变有可能造成碱基错配，如造成C与T配对。生命的化学组成基础专家讲座第58页蛋白质、核酸和多糖是三类主要生物大分子。共同之处：

1.肽链、核酸链和糖链都有各自方向性；2.蛋白质、核酸和多糖都有各自高级结构；3.三者亲密配合，共同行使生物功效。几个生物大分子特点生命的化学组成基础专家讲座第59页脂类在细胞中含有独特生物学功效：a）生物膜主要成份；b）储存能量分子；c）组成生物表面保护层；d）有些脂类是主要生物学活性物质，如维生素A等；

e）提供必需脂肪酸，促进脂溶性维生素吸收。

（五）脂类生命的化学组成基础专家讲座第60页1.脂肪甘油和脂肪酸结合而成酯，中性，高度疏水。

CH2OHR1COOHCH2OCR1HOCH+R2COOHR2COCHCH2OHR3COOHCH2OCR3

OO生命的化学组成基础专家讲座第61页

脂肪酸分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸两类。

饱和脂肪酸碳氢链上没有双键，分子链能够伸直，紧密并列如晶体状，需较多热能才能使之散开，故熔点高，在室温下为固态。动物脂肪大多富含饱和脂肪酸。

不饱和脂肪酸碳氢链上最少有一个双键。双键部分扭曲成小弯，分子排列不紧密，易散开，熔点低，室温下为液态。哺乳动物体内不能合成含两个以上双键不饱和脂肪酸。所以亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸被称为人体必需脂肪酸。

DHA——二十二碳六烯酸生命的化学组成基础专家讲座第62页

磷脂：是分子中含磷酸复合脂。它有一个极性“头”和两条非极性“尾”。是生物膜主要组分。磷脂酰胆碱，乙酰胆碱。鞘磷脂，高等动物组织中含量最丰富鞘质